DE2042478C3 - Gasturbinentriebwerk, vorzugsweise Strahltriebwerk für Flugzeuge, mit Kühlluft- und gegebenenfalls Sperrluftentnahme - Google Patents

Gasturbinentriebwerk, vorzugsweise Strahltriebwerk für Flugzeuge, mit Kühlluft- und gegebenenfalls Sperrluftentnahme

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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, vorzugsweise Strahltriebwerk für Flugzeuge, in Mehrwellenbauweise und mit mehreren voneinander mechanisch unabhängigen Verdichtern, die über Hohlwellen von je einer Turbine angetrieben sind und von denen einem als Niederdruckverdichter ein zweiter als Hochdruckverdichter strömungstechnisch nachgeschaltet ist, mit in den Endstufen von Niederdruck- und Hochdruckverdichter angeordneten Entnahmeöffnungen für Turbinenkühlluft und gegebenenfalls Sperrluft, wobei die Hohlwelle des Niederdruckverdichters zur Kühl- bzw. Sperrluftführung vom Niederdruckverdichter zur Niederdruckturbine dient.
Bei Gasturbinentriebwerken ist das wichtigste Kriterium für den Beschleunigungsvorgang die Pumpfreiheit, d h. sicherzustellen, daß während des Hochfahrens die Strömung in dem vor der Brennkammer liegenden Verdichter nicht abreißt.
Hierzu ist es besonders bei vielstufigen Axialverdichtern sogenannter »Einkreistriebwerke« bekannt, eine mehrere Verdichterstufen gleichzeitig erfassende Leitschaufelverstellung vorzusehen.
Die verstellbare Anordnung der Leitschaufel wie auch die gesamte Verstellvorrichtung selbst führen jedoch in der Praxis zu einem relativ hohen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand und können weiter infolge der Vielzahl der für die Schaufelverstellung mechanibch bewegten Teile zu erhöhter Störanfälligkeit beitragen.
Die relativ hohe Verdichterstufenzahl und der relativ hohe Aufwand zur Verdichterregelung be* Einkreistriebwerken führte dann zu Strahltriebwerkskonzeptionen, bei denen die Gesamtverdichtung auf mehrere mechanisch voneinander unabhängige Verdichter, z. B. einen Niederdruckverdichter und einen diesem nachgeschalteten, vor der Brennkammer liegenden Hochdruckverdichter aufgeteilt ist.
Auch bei derartigen Triebwerkskonzeptionen besteht die Gefahr des Pumpens des Hochdruckverdichters beim Hochfahrvorgang des Strahltriebwerks, wenn z. B. infolge Nachteilens des Niederdruckverdichter, dessen Fördermenge im Verhältnis zur bereits erreichten Drehzahl des Hochdruckverdichters zu gering ist.
Um der Gefahr des Verdichterpumpens auf andere als der durch die Leitschaufelverstellung bereits erläuterten Art iu begegnen, ist durch die schweizerische Patentschrift 428 072 eine Einrichtung zur Verhinderung des Verdichterpumpens bekannt, bei der Hochdruckluft über mindestens eine Ausblaseöffnung mit einer quer zur Richtung der Hauptströmung verlaufenden Geschwindigkeitskomponente unter wesentlich höherem als dem an der Ausblaseöffnung herrschenden Verdichterdruck zuführbar ist.
Die Hochdruckluft wird hierbei am Austritt des Verdichters entnommen und mittels einer seitlich am Verdichter entlanggeführten Umgehungsleitung der bzw. den Ausblaseöffnungen zugeführt, wobei der Druckluftbedarf an Hand eines in der Umgehungsleitung angeordneten Absperrventils steuerbar ist.
Durch die beschriebene Hochdruckluftausblasung soll einerseits ein mangelnder Luftdurchsatz durch Verringerung des Strömungsquerschnitts der Hauptströmung abgeglichen und fernerhin eine sogenannte »Falschanströmung« der Laufschaufeln verhindert werden, indem der Hauptströmung ein Drall in Umfangsrichtung erteilt wird.
In einem anderen bekannten Fall (belgische Patentschrift 566 224) soll zur Stabilisierung der Hauptströmung des Verdichters einer Strömungsmaschine Hochdruckluft über saug- oder druckseitig entlang der Hinterkanten der Verdichterleitschaufeln sich erstreckender Austrittsöffnungen mit jeweils quer zur Hauptströmung verlaufender Geschwindigkeitskomponente zugeführt werden.
Diese sowie die zuvor erwähnte bekannte Lösung
behandeln zwar die aerodynamische Verdichterregelung zur Verhütung des Verdichterpumpens, geben aber weiter keinerlei näheren Aufschluß über die diesbezügliche Sachproblematik bei Ga^urbinenstrahltriebwerken in Mehrwellen-Bauweise mit mehreren mechanisch voneinander unabhängigen Verdichtern.
Bei derartigen Gasturbinentriebwerken, insbesondere Strahltriebwerken für Flugzeuge besteht nämlich neben der Beseitigung der Gefahr des Verdichterpumpens des Hochdruckverdichters beim Hochfahrvorgang die Forderung, auch während dieses Betriebsbereiches ein vorgegebenes D-uckverhältnis im Bereich der letzten Stufen des Niederdruckverdichters bzw. zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter entnommener Turbinenkühlluft oder gegebenenfalls Lagerkammersperr iuft aufrechtzuerhalten.
Eine solches Gasturbinenstrahltriebwerk 1st im übrigen durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 601 633 bekannt und gemäß eingangs genannter Gattung zugrunde gelegt. Bei diesem bekannten Triebwerk ist vorgesehen, zu Kühlzwecken Druckluft als Kühl- bzw. Lagerkammersperrluft den Endstufen des Nieder- bzw. Hochdruckverdichters zu entnehmen, wobei die Hohlwelle des Niederdruckverdichters zur Kühl- bzw. Sperrluftführung dient.
Zum Beispiel das Unterschreiten eines vorgegebenen Kühlluftdruckverhältnisses kann dann bei einem solchen Triebwerk neben der Gefahr einer unzureichenden Kühlung der Turbine bzw. deren Beschaufelung ein gefährliches Rückströmen von Heißgasanteilen in das Turbinenkühlsystem verursachen, vorausgesetzt, daß die Turbinenkühlluft z. B. über die Turbinenleit- oder Laufschaufeln im Normalfall ..ur zusätzlichen Schuberhöhung dem Arbeitsprozeß wieder zugeführt werden soll.
Der Gefahr des Rückströmens von Heißgasanteilen in das Turbinenkühlsystem könnte zwar dadurch begegnet werden, indem die verbrauchte Kühlluft stets ins Freie abgeblasen wird.
Hierdurch würde allerdings ein stets vorhandener S. hubverlust in Kauf genommen werden müssen.
leim Unterschreiten eines vorgegebenen Druckverhältnisses des Niederdruckverdichters und damit auch des vorgegebenen Kühlluftdruckverhältirsses hätte diese Maßnahme auf jeden Fall immer dann einen mangelnden Kühlungswirkungsgrad zur Folge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk, vorzugsweise Strahltriebwerk in Mehrwellen-Bauweise der eingangs angegebenen Art, gegenüber Bekanntem so Ai verbessern, daß auf relativ einfache konstruktive Weise ein beim Hochfahrvorgang des Triebwerks sich einstellendes Verdichterpumpen des Hochdruckverdichters verhütet werden soll unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines ausreichenden Druckverhältnisses als Kühl- und gegebenenfalls Sperrluft abgezapfter Verdichterluft.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die den Endstufen des Niederdruckverdichters zugehörigen Entnahmeöffnungen für Kühl- und gegebenenfalls Sperrluft zugleich Ausblasöffnungen für Hochdruckluft sind, die — wie an sich bekannt — zur Verhütung des Verdichterpumpens unter höherem Druck als dem an den Ausblasstellen herrschenden Verdichterdruck mit einer quer zur Richtung der Hauptströmung verlaufenden Geschwindigkeitskomponente zuführbar ist, daß weiter in an sich bekannter Weise am Austritt bzw. im Bereich der letzten Stufen des Hochdruckverdichters entnehmbare Hochdruckluft über eine seitlich am Triebwerk angeordnete Umgehungsleitung und mindestens eine hohle Triebwerk Turbinenaustrittsleitschaufel und einen mit dieser verbundenen Turbinenaustrittskonus der Hohlwelle des Niederdruckverdichters zuführbar ist, wobei mittels eines in an sich bekannter Weise in der Umgehungsleitung angeordneten Absperrventils die Hochdruckluftentnahme freigebbar bzw. deren Menge regulierbar ist
Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber Bekanntem besteht darin, daß wesentliche Einrichtungen für die Kühl- und gegebenenfalls Sperrluftentnahme (Entnahmeöffnungen) und für die Strömungsführung der Entnahmeluft (Hohlwelle des Niederdrucksystems) im Bedarfsfalle auch für die Hochdruckluftführung bzw. -ausblasung verwendbar sind.
Dabei ist es weiter vorteilhaft, daß bei mangelndem Luftdurchsatz des Niederdruckverdichters zur Verhütung des Verdichterpumpens eingeschalteter Hochdruckluftausblasung über die Ausblas- bzw. Entnahmeöffnungen insbesondere eine einwandfreie Turbinenkühlung mittels eines Teils dieser Hochdruckluft aufrecht erhalten werden kann.
Die Erfindung weiter ausgestaltend, können die Entnahme- und Ausblasöffnungen in an sich bekannter Weise schlitzförmig ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes können die Entnahme- und Ausblasöffnungen in an sich bekannter Weise im Bereich der Hinterkanten von Stützschaufeln oder Vorleitschaufeln des Hochdruckverdichters angeordnet sein.
Dieses Erfindungsmerkmal wirkt sich besonders auch deshalb günstig aus, weil oftmals gerade Stützschaufeln in der Strömung zwischen dem Niederdruckverdichter und dem Hochdruckverdichter von Gasturbinenstrahltriebwerken anzutreffen sind, welche die beschriebene Gefahr des Abreißens der Luftströmung an den Oberseiten der nachgeschalteten Laufschaufeln begünstigen können.
Weiter können erfindungsgemäß die Entnahme- und Ausblasöffnungen an der inneren oder — wie an sich bekannt — äußeren Kanalwand des den Niederdruck- und Hochdruckverdichter verbindenden Strömungskanals angeordnet sein, wobei die Hochdruckluft hierzu zusätzlich mit einer radial nach innen gegen die Hauptströmung geneigten Geschwindigkeitskomponente zuführbar ist.
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft weiter erläutert; darin ist
F i g. 1 die obere Hälfte eines entlang der Mittellängsachse aufgeschnitten sowie schematisch dargestellten Turbinenstrahltriebwerks,
F i g. 2 eine die Wirkungsweise der Erfindung erläuternde Darstellung unter Anwendung gerader Stützschaufeln zwischen Nieder- und Hochdruckverdichter des Triebwerks nach F i g. 1 und
F i g. 3 ein Verdichtergehäuseabschnitt in perspektivischer Darstellung zur Erläuterung der Erfindung untc* Anwendung von gegenüber den F i g. 1 und 2 abweichenden Einrichtungen zur Verhütung des Verdichterpumpens.
F i g. 1 veranschaulicht ein Turbinenstrahltriebwerk in Zwei-Wellen-Bauweise- — in der Reihenfolge von links nach rechts — bestehend aus einem Niederdruckverdichter 1, einem Hochdruckverdichter 2, einer Brennkammer 3, einer Hochdruckturbine 4 und einer Niederdruckturbine 5. Der Niederdruckverdichter 1 und die Hochdruckturbine 5 sind durch eine Hohlwelle
5 miteinander verbunden. Der Hochdruckverdichter 2C und die Hochdruckturbine 4 sind durch eine die Hohlwelle 6 umschließende weitere Hohlwelle 7 miteinander verbunden. Zwischen dem Niederdruck verdichter 1 und dem Hochdruckverdichter 2 sind mehrere gerade und hohl ausgebildete Stützschaufeln 8 in gleichmäßigen Abständen zueinander verteilt, koaxial zur Längsmittelachse 9 des Turbinenstrahltriebwerks angeordnet. Weiter sind die Stützschaufeln 8 zwischen einem der Hohlwelle 6 benachbarten festen Innenbauteil 10 und dem Verdichtergehäuse 11 angeordnet. Die Slützschaufeln 8 sind ferner im Bereich deren jeweiligen Hinterkanten mit einer Entnahme- und Ausblasöffnung 12 versehen. Aus jeder dieser Entnahme- und Ausblasöffnungen 12 kann einerseits Hochdruckluft in Richtung der beispielhaft in F i g. 2 auf skizzierten Pfeile F' ausgeblasen werden, wodurch aerodynamisch gewölbte Hinterkanten erzielbar sind (Pfeilrichtung F). Andererseits können die Entnahme- und Ausblasöffnungen 12 zur Entnahme von Turbinenkühlluft und gegebenenfalls Lagerkammersperrluft vorgesehen sein.
Unter normalen Betriebsbedingungen gelangt die Entnahmeluft über die Entnahme- und Ausblasöffnungen 12 in die Stützschaufeln 8 und von dort aus weiter über das feste Innenbauteil 10 in die Hohlwelle 6 (Pfeil richtung N). Gemäß Pfeilrichtung K kann die Entnahmeluft z. B. zur Kühlung der Turbinenradscheiben 13, 14 einerseits und der an diesen befestigten Turbinenlaufschaufeln 15, 16 der Niederdruckturbine 5 und der Turbinenlager (nicht dargestellt) dienen. Die zur Kühlung der Niederdruckturbine 5 verwendete Entnahmeluft kann in den Turbinenkanal 17 zur zusätzlichen Schuberhöhung abgeblasen werden. Bei Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses der Entnahmeluft kann verhindert werden, daß Heißgase aus dem Turbinenkanal 17, etwa in Pfeilrichtung 18. zwischen einem festen Innenwandabschnitt 19 der Niederdruckturbine 5 und der Turbinenradscheibe 13 in das Kühlluftsystem einströmen können.
Unter bestimmten, vom Normalbetriebszustand abweichenden Betriebsbedingungen des Turbinenstrahltriebwerks, insbesondere beim Hochfahrvorgang, kann der Fall eintreten, daß die vom Niederdruckverdichter 1 dem Hochdruckverdichter 2 zur Weiterverdichtung zuzuführende Luftmenge zu gering im Verhältnis zu der bereits vom Hochdruckverdichter 2 erreichten Drehzahl ist, unter Zugrundelegung einer für Normaldurchsatz ausgelegten Beschaufelung des Hochdruckverdichters 2. Aus den genannten Gründen besteht einerseits die Gefahr des Verdichterpumpens des Hochdruckverdichters 2 sowie andererseits die Gefahr des Eindringens heißer Gase aus dem Turbinenkanal 17 in das Kühl- bzw. Entnahmeluftsystem (Pfeil 18).
Zur Beseitigung dieser Gefahren ist am Austritt des Hochdruckverdichters 2 eine Umgehungsleitung 20 angeschlossen, welche über eine hohle Turbinenaustrittsleitschaufel 21 und einen mit dieser verbundenen Turbinenaustrittskonus 22 mit der Hohlwelle 6 des Niederdruckverdichters 1 in Verbindung steht
Im beschriebenen kritischen Betriebsbereich des Turbinenstrahltriebwerks kann infolge Öffnens eines in der Umgehungsleitung 20 angeordneten Absperrventils 23 am Austritt des Hochdruckverdichters 2 entnommene Hochdruckluft in Richtung des Pfeils H in die Hohlwelle 6 ausströmen und einerseits von dort aus die im Normalfall von der Entnahmeluft ausgeübte Funktion als Kühl- und gegebenenfalls Sperrluft übernehmen. Andererseits gelangt der wesentliche Anteil der entnommenen Hochdruckluft über die Hohlwelle 6 und das feste Innenbauteil 10 (Pfeil B) in die Stützschaufeln 8, aus denen sie über die Längsschlitze 12 in Richtung der Pfeile F' ausgeblasen wird (F i g. 2). Die Wirkung dieses Ausblasens geht deutlicher aus F i g. 2 hervor. Es sei angenommen, daß die Komponente c bezüglich ihrer Richtung und Größe eine bei normalem Betriebsverhalten geförderte und zwischen zwei Stützschaufeln 8 austretende Luftmenge ist. Gemaß F i g. 2 — unten und links — ergibt sich, daß die den Stützschaufeln 8 nachgeschalteten und für den Normalfall ausgelegten Laufschaufeln 24 des Hochdruckverdichters 2 einen solchen Anstellwinkel β aufweisen, daß die Schaufelprofilsehne 25 parallel zur Geschwindigkeitskomponente iv verläuft.
Würde sich nun beim Hochfahrvorgang des Strahltriebwerks die zwischen den Stützschaufel 8 hindurchströmende Luftmenge ζ. B. auf die Hälfte, also auf den Wert ei (F i g. 2 oben, rechts) zurückfallen, dann hätte dies einen zu kleinen Anstellwinkel /Ji zur Folge (F i g. 2 unten, rechts), und die damit verbunden sich einstellende Richtung der Geschwindigkeitskomponente Wi würde damit einen nicht unerheblichen Strömungswiderstand der Schaufel 24 verursachen, wodurch ein Abreißen auf der Oberseite der Schaufel und damit das Pumpen des Hochdruckverdichters 2 verursacht würde.
Durch das zusätzliche Ausblasen der Hochdruckluft in Richtung der Pfeile F' aus den Stützschaufeln 8 wird die Komponente c\ auf den Wert α vergrößert und unter einem Winkel (hier z. B. 30°) so weit abgelenkt, daß der ursprüngliche Anstellwinkel β in dem Geschwindigkeitsdreieck (F i g. 2 rechts, unten) wieder hergestellt ist und entsprechend dem gewünschten Normalzustand (F i g. 2 links, unten) die Schaufelprofilsehne 25 parallel zur nunmehr etwas verringerten Geschwindigkeitskomponente W2 (F i g. 2 rechts, unten) verläuft. Durch die Neigung der Komponente W2 unter dem Winkel β wird also die Gefahr des Abreißens der Luftströmung an der Oberseite der Schaufel 24 verhindert.
Je nach dem Druckluftbedarf, der nötig ist, um den Hochdruckverdichter 2 aus dem Pumpbereich herauszubringen, soll gegebenenfalls die Menge der aus den Entnahme- und Ausblasöffnungen 12 der Stützschaufeln 8 abzublasenden Hochdruckluft mittels des in der Umgehungsleitung 20 angeordneten Absperrventils 23 (F i g. 1) verändert werden können.
Nach beendigtem Hochfahrvorgang kann die Hochdruckluftzufuhr mit dem Absperrventil 23 abgesperri werden.
Die Entnahme- und Ausblasöffnungen könnten ζ. Β auch an den Hinterkanten fest angeordneter Vorteil· schaufeln des Hochdruckverdichters 2 vorgesehen sein.
Die beschriebene Hochdnickluftausblasung ist abei durchaus nicht nur an die Verwendung von Stütz- ode Leitschaufeln gebunden. Die angestrebte Wirkunj kann auch durch an der inneren oder äußeren Kanal wand des den Nieder- und Hochdruckverdichter ver
to bindenden Strömungskanals angeordnete Ausblas- um Entnahmeöffnungen erreichbar sein.
Hierüber gibt Fig.3 Aufschluß, zeigend schlitzföi mige Ausblas- und Entnahmeöffnungen 26. welche ar inneren Umfang eines abgebrochen dargestellten Vei dichtereintrittsgehäuseabschnittes 27 angeordnet sini über welche die Hochdruckluft zusätzlich mit einer rs dial nach innen gegen die Hauptströmung (Pfeil c) g« neigten Ausblasrichtung (Pfeil S) zuführbar ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Gasturbinentriebwerk, vorzugsweise Strahltriebwerk für Flugzeuge, in Mehrwellenbauweise und mit mehreren voneinander mechanisch unabhängigen Verdichtern, die über Hohlwellen von je einer Turbine angetrieben sind und von denen einem als Niederdruckverdichter ein zweiter als Hochdruckverdichter strömungstechnisch nachgeschaltet ist, mit in den Endstufen von Niederdruck und Hochdruckverdichter angeordneten Entnahmeöffnungen für Turbinenkühlluft und gegebenenfalls Sperrluft, wobei die Hohlwelle des Niederdruckverdichters zur Kühl- bzw. Sperrluftführung vom Niederdruckverdichter zur Niederdruckturbine dient, dadurch gekennzeichnet, daß die den Endstufen des Niederdruckverdichters (1) zugehörigen Entnahmeöffnungen (12) für Kühl- und gegebenenfalls Sperrluft zugleich Ausblasöffnungen (12) für Hochdruckluft sind, die — wie an sich bekannt — zur Verhütung des Verdichterpumpens unter höherem Druck als dem an den Ausblasstellen herrschenden Verdichterdruck mit einer quer zur Richtung der Hauptströmung verlaufenden Geschwindigkeitskomponente zuführbar ist, daß weiter in an sich bekannter Weise am Austritt bzw. im Bereich der letzten Stufen des Hochdruckverdichters (2) entnehmbare Hochdruckluft über eine seitlich am Triebwerk angeordnete Umgehungsleitung (20) und mindestens eine hohle Turbinenaustrittsleitschaufel (21) und einen mit dieser verbundenen Turbinenaustrittskonus (22) der Hohlwelle (6) des Niederdruckverdichters (1) zuführbar ist, wobei mittels eines in an sich bekannter We-se in der Umgehungsleitung (20) angeordneten Absperrventils (23) die Hochdruckluftentnahme freigebbar bzw. deren Menge regulierbar ist.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme- und Ausblasöffnungen (12) in an sich bekannter Weise schlitzförmig ausgebildet sind.
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme- und Ausblasöffnungen (12) in an sich bekannter Weise im Bereich der Hinterkanten von Stützschaufel (8) oder Vorleitschaufeln des Hochdruckverdichters (2) angeordnet sind.
4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme- und Ausblasöffnungen (26) an der inneren oder — wie an sich bekannt — äußeren Kanalwand des den Niederdruck- und Hochdruckverdichter (1, 2) verbindenden Strömungskanals angeordnet sind, und hierbei die Hochdruckluft zusätzlich mit einer radial nach innen gegen die Hauptströmung geneigten Geschwindigkeitskomponente zuführbar ist.
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